馬氏體時效鋼

 時效鋼是超高強度鋼中的一種,。這種鋼突出的優(yōu)點是熱處理工藝簡單方便，固溶后*行機械加工再進行時效,，熱處理變形小,，加工性能及焊接性能都很好。時效鋼的熱處理工藝及性能見下表,。近年來,，國外用時效鋼制作模具較為廣泛；但在國內(nèi),，由于時效鋼含Ni,、Co等貴重金屬元素，且含量高,，價格昂貴,，尚難以廣泛應(yīng)用。該類鋼主要用于精密鍛模及塑料模具,。

常用的典型時效鋼是按強度級別分類的

18Ni(200),、18Ni(250)、18Ni(300)和18Ni(350)是得到廣泛實際應(yīng)用的鋼種,。

近年來一些國家研制出許多時效鋼的變異鋼種,，特別是開發(fā)出了不少具有良好性能的無鈷時效鋼。

由于時效鋼不是靠碳的過飽和固溶或碳化物沉淀,，而是靠某些合金元素在時效時產(chǎn)生金屬間化合物析出而強化的,，因此，鋼中的碳,，與硫,，磷一樣，為有害雜質(zhì)元素,。要求碳含量愈低愈好,，一般不應(yīng)超過0.03%(對于重要用途，應(yīng)低于0.01%),。鋼中主要合金元素為鎳,，鈷，鉬,，鈦,，

鉻和錳在時效鋼中可用來部分代替鎳和鈷,，在近期發(fā)展的無鈷鋼種中還用鎢代鉬或用釩代鈷,。硅為雜質(zhì)元素,，其含量不應(yīng)超過0.1%。鋁一一般是作為煉鋼時的脫氧劑而加入的,，其殘余量在0.05%～0.2%范圍,。此外還可用硼、鋯,、鈣,、鎂和稀土元素等進行微量元素處理，以改善鋼的某些性能,。

 馬氏體時效鋼

既具有高的延性,、韌性又能產(chǎn)生超高強度的鋼種是時效鋼，研發(fā)這種鋼的材料學(xué)思路是高純凈,、高鎳,、超低碳的鋼。這樣,，即使在較小的冷卻速度下也能淬火獲得馬氏體組織和具有優(yōu)良的沖擊抗力及斷裂韌性,。三種主要馬氏體的時效鋼是：
Nil8時效鋼
這種鋼有三種型號，其屈服強度分別為1350MPa,、1650MPa和1950MPa，這類鋼的雜質(zhì)含量很低,，需要經(jīng)一次或二次真空冶煉,。并含有0.003%B,、0.002%Zr和0.005%Ca以清除雜質(zhì)并幫助改善熱塑變加工性能,。
熱處理工藝包括850℃～870℃固溶處理,，空冷或水淬,，再在480℃時效3h,。除了Co之外,，加入的合金元素都降低Ms點,，但可保持Mf點高于室溫,，這樣固溶化后淬冷下來都能*轉(zhuǎn)化為馬氏體,。時效析出硬化相主要是小片狀,，但也有一些。嚴(yán)重過時效也能生成,，Co的作用是加強引起析出硬化,，而Mo則是時效硬化的主要元素。

調(diào)整時效溫度,、時間,，可獲得不同的強度,。時效溫度過高(>600℃)，因鋼的點低,，會引起奧氏體形成,，這種奧氏體由于高度合金化，使Ms點降低到室溫以下,，而穩(wěn)定的保留下來,。如果需要高強度，可以在時效前對原低碳馬氏體進行50%形變量的冷塑性變形加工,。
在高抗拉強度下,，這種鋼仍具有優(yōu)良的沖擊韌性，而且具有強化缺口的作用,，其缺口強度與抗拉強度之比在1．35～1．65之間,。時效前進行50%的冷變形加工，可將上述名義強度提高到1700 MPa,、2000 MPa和2100MPa,。
Ni20時效鋼
鋼的雜質(zhì)含量與Nil8鋼相似，但Ni含量較高,，時效硬化元素不用Mo和Co,，而是用1．5%Ti、0．25%A1和0．5%Nb來產(chǎn)生,。這種鋼的Ms點比Nil8鋼低,，但固溶處理淬冷到室溫后仍可充分發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。如果相變不*,，可在一78℃下冷卻處理或通過冷塑性變形(冷塑性變形可提高Ms點)來完成,，這種鋼正常的時效硬化相是和。

Ni25時效鋼
這種鋼含25%Ni和1．5%Ti,、0．25%A1或0．5%Nb(亦可Al,、Nb并用)，Ms點低于或接近室溫,。固溶處理后鋼的組織基本是奧氏體,，所以應(yīng)在時效前將其轉(zhuǎn)化為馬氏體，為此可以采用兩種方法：
(1)奧氏體時效：加熱到700℃保持4h使其從奧氏體中析出或,。于是奧氏體合金含量降低,，Ms點上升，隨后冷卻時奧氏體大部分轉(zhuǎn)化為馬氏體,。如在時效硬化處理(480℃,，3h)之前進行一78℃冷處理，即可保證馬氏體*轉(zhuǎn)變,。700℃的奧氏體時效,，由于形成,，使奧氏體硬化。但相在相變時會失去共格性,，而且在隨后馬氏體時效硬化時,，可以利用的Ti，Al都減小了,，所以強度要低些,。馬氏體時效處理時的析出相是η-。
(2)冷塑變形加工加冷處理：奧氏體冷塑變形加工,，變形量應(yīng)大于25%,，才能提高Ms—的溫度區(qū)段，使該鋼在一78℃(干冰)或一196℃(液氮)冷處理時完成馬氏體轉(zhuǎn)變,，這種加工處理充分發(fā)揮合金元素的析出硬化作用,，可獲得強度高于奧氏體的時效處理。

主要生產(chǎn)工藝有冶煉,、熱加工,、冷加工、焊接,、熱處理和表面處理,。
冶煉
一般采用真空感應(yīng)爐熔煉加真空自耗爐重熔的雙真空冶煉工藝。對于強度級別在1500MPa以下的鋼種,，可以采用非真空冶煉,，或非真空冶煉加電渣重熔的工藝。但對高強度級別和用途重要的鋼種,，必須采用雙真空冶煉工藝,。在真空自耗重熔時，應(yīng)嚴(yán)格控制電流和熔池溫度,，以免鋼錠產(chǎn)生嚴(yán)重的枝狀偏析,。
熱加工
時效鋼在高溫下具有良好的熱塑性,，其熱加工性與1Crl8Ni9Ti大體相同,。對于鈦、鉬含量較高的鋼種,，鋼錠凝固時容易發(fā)生這些元素的微觀偏析,，熱加工后形成各向異性的帶狀顯微結(jié)構(gòu)。減輕或消除微觀偏析的有效措施,，是選擇合適的鋼錠尺寸和熱加工時進行充分的高溫均質(zhì)化處理,。為了防止由于Ti(C，N)等化合物沿奧氏體晶界析出引起的高溫緩冷脆性,，熱加工后應(yīng)盡量避免工件在1100～750C溫度區(qū)間內(nèi)緩冷或停留,。為了獲得細晶粒和較佳力學(xué)性能,，終鍛應(yīng)在較低溫度下(950～850C)，以較大的變形量(大于25%)完成,。
冷加工
在固溶狀態(tài)下冷加工性非常好,。拉拔、冷軋,、彎曲,、深沖等加工都容易進行。鋼的加工硬化指數(shù)為0.02～0.03,，與普通鋼相比低一個數(shù)量級,。因此，加工過程中無需軟化退火即可進行90%以上變形量的冷加工,。
焊接
良好的焊接性是時效鋼的優(yōu)點之一,。幾乎所有的焊接工藝都能適用。焊絲成分與被焊鋼成分基本相同,，焊前不必預(yù)熱,，焊后不處理也不會產(chǎn)生裂紋，直接時效后,，接頭系數(shù)即可超過90%,。
熱處理
熱處理工藝簡單是時效鋼的另一重要優(yōu)點。鋼經(jīng)熱加工后,，在冷加工和時效強化之前應(yīng)進行固溶處理,。目的在于：溶解熱加工后余留的沉淀物；使基體溶有充足的強化元素,；并獲得均勻的高位錯密度的全馬氏體組織,。固溶溫度通常采用820～840℃，固溶時間為每25ram厚度1h,，固溶后空冷,，冷卻速度對組織和性能影響不大。時效鋼的高強度是通過時效處理得到的,。時效溫度一般為480℃,，強度級別高的鋼種可采用510¨C，時效時間為3～6h,，時效后空冷,。時效后在馬氏體基體上，析出大量彌散的和超顯微的金屬間化合物質(zhì)點,，使材料強度成倍提高而韌性損失較小,。
時效鋼的性能還可通過奧氏體形變，或馬氏體形變，或兩者結(jié)合得到提高,。奧氏體形變處理使奧氏體晶粒尺寸減小到10um以下,，從而得到具有一定延性的，強度大于3500MPa的時效鋼,。在固溶后和時效前進行的馬氏體形變處理,，由于產(chǎn)生更多的位錯，通?？墒箯姸忍岣?00MPa,。固溶前的馬氏體形變，能細化奧氏體晶粒并增加鋼時效后的強度,。
表面處理
如果不進行表面處理,，時效鋼的耐磨性和疲勞強度并不比普通高強鋼好。因此對于這種用途的零件,，必須進行表面處理(氣體滲氮,、離子氮化或離子注入等)。離子氮化可使18Ni(250)鋼滾動軸承的接觸疲勞壽命提高1倍以上,。
應(yīng)用時效鋼已在包括火箭發(fā)動機殼體,， 殼體，鈾同位素離心分離機的高速轉(zhuǎn)簡,，直升飛機起落架,，高壓容器，轉(zhuǎn)軸,，齒輪,，軸承，高壓傳感器,，緊固件,，彈簧，以及鋁合金擠壓模和鑄件模,，精密模具,，冷沖模等工模具等方面獲得廣泛的應(yīng)用。